유기산 농도와 외장 표면 온도의 특정 조합에서 1.6mm 316 스테인리스강 외장이 제약 반응기의 아세트산 서비스에서 수동 부식에서 활성 부식으로 전환됩니까?

제약 반응기 및 식품 가공 용기용 전기 침지 히터를 개발하는 공정 엔지니어는 아세트산을 용매 및 반응 매체로 활용하는 경우가 많습니다. 유기산(예: 아세트산)은 무기산과 달리 316 스테인리스강에서 복잡한 부식 거동을 나타내며, 낮은 농도에서는 수동 영역이, 중간 농도에서는 활성 부식이 나타납니다. 수동-활성 전이는 미량 염화물이나 산소의 존재로 인해 상당히 바뀔 수 있습니다. 일반적인 제약 서비스의 벽 두께는 부식 허용 및 세척성을 고려하여 1.6mm입니다. 이 논문은 제약 반응기 서비스에서 1.6mm 316 외장이 수동 부식에서 활성 부식으로 변하는 아세트산 농도와 외장 표면 온도의 조합을 보고합니다.

아세트산에서 316의 부식
아세트산에 의한 316 스테인리스강 부식에는 특별한 패턴이 있습니다. 농도가 10% 미만이고 온도가 80도 미만인 희석 액체에서 316은 부식 속도가 연간 < 0.05mm로 비활성 상태를 유지합니다. 10%~50%의 농도 범위에서 부동태 피막은 불안정하며 부식 속도는 온도와 산소 함량에 따라 0.5~2.0mm/년이 될 수 있습니다. 50% 이상의 농도에서 아세트산은 감소하고 316개는 연간 0.1mm 미만의 비율로 다시 부동태화됩니다. 시스템에 산소나 공기가 존재하면 산화 조건을 유지하여 더 높은 농도로 전환됩니다. 제약 반응기의 아세트산 농도는 희석된 세척 용액부터 농축된 반응 매체까지 다양합니다. 피복 표면의 온도에 따라 히터가 수동 모드인지 능동 모드인지가 결정됩니다. 와트 밀도로 인해 이 온도는 일반적으로 벌크 산 온도보다 10~25도 더 높습니다.

1.6mm 보호관 임계 전환 한계
다음 농도 및 피복 표면 온도의 조합은 산소 함량이 조절된 아세트산(일반적인 공기 공간이 있는 제약 반응기)에서 316개 샘플의 침지 테스트에서 수동에서 능동으로 전환되도록 합니다.

아세트산 농도(중량%) 수동에서 활성으로의 전이 온도(공기 중)탈기된 수동-에서-활성 전이 온도 수동 작동을 위한 최대 허용 외피 표면 온도 활성 영역에서 예상 부식 속도
< 5% > 100°C > 90°C 95°C .3 -.6 mm/year 5 - 10% 90 - 100°C 80 - 90°C 85°C .5 - 1.0 mm/year
10 – 15% 80 – 90도 65 – 75도 75도 0.8 – 1.5mm/년 15 – 20% 70 – 80도 55 – 65도 65도 1.0 – 2.0mm/년 20 – 30% 60 – 70도 45 – 55도 55도 1.5 – 2.5 mm/년
30-40% 50-60도 35-45도 45도 1.5-2.5mm/년 40-50% 45-55도 30-40도 40도 1.0-2.0mm/년
50~60% 55~65도 40~50도 50도 0.5~1.0mm/년
60% 이상 80도 이상 65도 이상 75도 0.2~0.5mm/년
8W/cm 2 (20도 증가)에서 1.6mm 외장을 갖춘 60도 벌크 온도에서 15% 아세트산을 사용하는 제약 반응기의 경우 외장 표면 온도는 80도입니다. 이는 15% 산에 대한 허용 한계인 75도를 초과하며 히터는 연간 1 - 2mm의 예상 속도로 활성 부식 체제에 있게 됩니다. "1.6mm 외장을 천공하는 데 1~2년." 와트 밀도를 4 W/cm 2 (10도 상승)로 낮추면 외피 표면이 75도 임계값 아래인 70도로 유지되고 수동 작동으로 돌아가서 10+년의 수명을 제공합니다.

아세트산 서비스에서 1.6mm 보호관을 위한 안전한 작동 봉투
아래 표는 공기 공간이 있는 제약 반응기의 일반적인 폭기 환경에 대해 다양한 와트 밀도에서 1.6mm 316 보호관에 대한 최대 안전 벌크 아세트산 온도를 보여줍니다.

아세트산 농도 와트 밀도 4W/cm²(10도 상승) 와트 밀도 6W/cm²(15도 상승) 와트 밀도 8W/cm²(20도 상승) 와트 밀도 10W/cm²(25도 상승)
<5% Safe to 85°C Safe to 80°C Safe to 75°C Safe to 70°C
5 – 10% 80도까지 안전 75도까지 안전 70도까지 안전 65도까지 안전
10 – 15% 75도까지 안전 70도까지 안전 65도까지 안전 60도까지 안전 15 – 20% 65도까지 안전 60도까지 안전 55도까지 안전 50도까지 안전 20 – 30% 55도까지 안전 50도까지 안전 45도까지 안전 40도까지 안전 30 – 40% 안전 최대 45도까지 안전 최대 40도까지 안전 최대 35도까지 안전 최대 30도까지 안전 40 – 50% 최대 40도까지 안전 최대 35도까지 안전 최대 30도까지 안전 최대 25도까지 안전
50 – 60 % 50도까지 안전 45도까지 안전 40도까지 안전 35도까지 안전
>60% 안전 최대 70도 안전 최대 65도 안전 최대 60도 안전 최대 55도까지 안전
6W/cm²(표면 70도)에서 1.6mm의 외장은 55도 벌크 온도에서 20% 아세트산을 사용하는 제약 반응기의 허용 한계인 55도를 초과합니다. 히터는 4W/cm2(표면 65°C) 이하로 감소되어야 합니다. 60oC 벌크의 10% 아세트산이라도 10W/cm2에서 표면 온도는 85oC가 되며, 이는 해당 농도의 안전 한계인 70oC를 초과합니다.

지속적인 수동 작동을 위한 설계 개선
아세트산 공정 조건의 경우 농도와 온도는 수동{0}}활성 경계에 가깝고 피복 재료를 수정하지 않고 수동 작동을 유지하기 위해 세 가지 설계 조정이 제안됩니다. 첫 번째는 충분한 환기가 이루어지도록 하는 것입니다. 공기 또는 살포로부터의 산소는 수동-능동 전환을 더 높은 온도로 10-15도 이동시킵니다. 질소 블랭킷(탈기) 상태의 반응기는 공기 공간이 있는 반응기보다 내식성이 훨씬 낮습니다. 두 번째 조정은 가열 길이를 확장하거나 여러 히터를 사용하여 와트 밀도를 줄이는 것입니다. 와트 밀도가 20% 감소하면 능동에서 수동으로 외장 표면 온도가 8~12도 감소할 수 있습니다. 세 번째 변경 사항은 부식 억제제를 추가하는 것입니다. 과산화수소 또는 질산과 같은 소량(50-200ppm)의 산화 화학물질은 아세트산의 부동태 피막을 안정화하여 전이 온도를 10-20도 증가시킬 수 있습니다. . 316는 와트 밀도와 관계없이 50도 이상의 온도에서 30% 이상의 아세트산 농도를 요구하는 제약 반응기에 대한 평균 선택입니다. 이러한 조건에서 엔지니어는 모든 농도의 끓는점에서 아세트산의 수동적 동작을 유지하는 합금 20 또는 합금 825와 같은 고급 합금으로 전환해야 합니다. 비용 차이는 보통 316보다 30~50% 더 크지만, 사용 수명은 1~2년에서 10~15년으로 늘어납니다. 아세트산 서비스용 히터를 주문할 때 정확한 농도, 벌크 온도, 통기 조건 및 예상 와트 밀도를 지정하고 이 정보를 공급업체에 제공하십시오. 수동-능동 전환을 고려하지 않고 65도에서 25% 아세트산에 대해 316을 제안하는 제조업체는 완전한 엔지니어링 정보를 제공하지 않습니다. 아세트산의 수동 부식에서 활성 부식으로의 전환은 농도에 따라 다르며 갑작스럽습니다. 임계값 바로 아래에 있는 316 외장 1.6mm 실행은 10년 동안 지속될 수 있는 반면, 임계값 바로 위의 실행은 18개월 내에 천공될 수 있습니다. 신뢰할 수 있는 사양을 위해서는 와트 밀도 및 벌크 조건으로부터 외장 표면 온도를 정확하게 계산해야 합니다.